人机交互课件(清华大学出版)第1章_绪论
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一般的，多媒体技术是指将正文、声音、图形、静止图像、动 态图像等与计算集成在一起的技术。多媒体技术通过引入动画、音 频、视频等动态媒体，大大丰富了计算机表现信息的形式，拓宽了 计算机输出的带宽，提高了用户接受信息的效率，使人们可以得到
更直观的信息，从而简化了用户的操作，扩展了应用范围。
多媒体信息在人机交互中的巨大潜力主要在于它能提高人对信息 表现形式的选择和控制能力，同时也能提高信息表现形式与人的逻 辑和创造能力的结合程度，在串行、符号信息以及并行、联想信息 方面扩展人的信息处理能力。多媒体信息比单一媒体信息对人具有
人机交互技术编写组 8
1.2.2人机工程学
人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关知识，研究人 、机器、环境相互间的合理关系，以保证人们安全、健康、舒适地 工作，从而提高整个系统工效的新兴边缘科学。在人机界面学处于 初创和奠基阶段的时候，人机工程学是最活跃、最主要的分支，曾
经对人机界面学的发展做出过很大的贡献。经典的人机工程学称为
Computing ）等对人机交互技术提出了更高的要求，面向移动应用
的界面设计问题已成为人机交互技术研究的一个重要应用领域。针 对移动设备的便携性、位置不固定性和计算能力有限性以及无线网 络的低带宽高延迟等诸多的限制，研究移动界面的设计方法，移动 界面可用性与评估原则，移动界面导航技术，以及移动界面的实现 技术和开发工具，是当前的人机交互技术的研究热点之一。
然语言理解等都是认知与智能用户界面需要解决的重要问题。
5. 虚拟环境（Virtual Environment）中的人机交互
“以人为本”的、自然和谐的人机交互理论和方法是虚拟现实的 主要研究内容之一。通过研究视觉、听觉、触觉等多通道信息融合 的理论和方法、协同交互技术以及三维交互技术等，建立具有高度 真实感的虚拟环境，使人产生“身临其境”的感觉。
硬件人机工程学，主要集中在对人体能力、人体限制及其他与设计 相关的人体特性信息的应用，以满足设计、分析、测试与评价、标 准 化 ， 以 及 系 统 控 制 的 要 求 。 软 件 人 机 工 程 学 （ Software Ergonomics）研究软件和软件界面，侧重于运用和扩充软件工程的
理论和原理，对软件人机界面进行分析、描述、设计和评估等。
人机交互技术的发展。作为信息技术的重要内容，人机交互技术比
计算机硬件和软件技术的发展要滞后许多，已成为人类运用信息技 术深入探索和认识客观世界的瓶颈。因此，人机交互技术已成为21 世纪信息领域亟需解决的重大课题，引起了世界许多国家的高度重 视。
人机交互技术编写组 2
在美国21世纪信息技术计划中，将软件、人机交互、网络、高性 能计算列为基础研究内容。美国国防关键技术计划也把人机交互列 为软件技术发展的重要内容之一。 我国“973”计划项目“虚拟现实的基础理论、算法及其实现” 中，将虚拟环境的真实感知与自然交互理论与方法作为信息技术中 需要解决的关键科学问题。
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8. 群件（Groupware） 群件是指帮助群组协同工作的计算机支持的协作环境，主要涉 及个人或群组间的信息传递、群组中的信息共享、业务过程自动化 与协调，以及人和过程之间的交互活动等。目前与人机交互技术相 关的研究主要包括：群件系统的体系结构、计算机支持交流与共享 信息的方式、交流中的决策支持工具、应用程序共享以及同步实现 方法等内容。
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图1-2 人机交互三元素
人机交互技术编写组
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2.可用性分析与评估（Usability and Evaluation） 可用性是人机交互系统的重要内容，它关系到人机交互能否达到 用户期待的目标，以及实现这一目标的效率与便捷性。人机交互系
统的可用性分析与评估的研究主要涉及到支持可用性的设计原则和
可用性的评估方法等。 3. 多通道交互技术（Multi-Modal） 在多通道交互中，用户可以使用语音、手势、眼神、表情等自然 的交互方式与计算机系统进行通信。多通道交互主要研究多通道交 互界面的表示模型、多通道交互界面的评估方法以及多通道信息的 融合等。其中，多通道整合是多通道用户界面研究的重点和难点。
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人机交互（Human-Computer Interaction，HCI）是关于设计、 评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，且围绕这些方面主要 现象进行研究的科学（ACM SIGCHI，1992，第6页）。
狭义的讲，人机交互技术主要是研究人与计算机之间的信
息交换，它主要包括人到计算机和计算机到人的信息交换两部分。 对于前者，人们可以借助键盘、鼠标、操纵杆、数据服装、 眼动跟踪器、位置跟踪器、数据手套、压力笔等设备，用手、脚、 声音、姿势或身体的动作、眼睛甚至脑电波等向计算机传递信息； 对于后者，计算机通过打印机、绘图仪、显示器、头盔式显示器 （HMD）、音箱等输出或显示设备给人提供信息。
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1.4人机交互的发展历史及趋势
1.4.1发展历史 作为计算机系统的一个重要组成部分，人机交互一直伴随着计算 机的发展而发展。人机交互的发展过程，也是人适应计算机到计算
机不断地适应人的发展过程。它经历了几个阶段：
1． 语言命令交互阶段
计算机语言经历了由最初的机器语言，而后是汇编语言，直至高
更大的吸引力，有利于人对信息的主动探索而不是被动接受。
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另外，由于多媒体所带来的信息冗余性，重复使用别的媒体或
并行使用多种媒体可消除人机通信过程中的多义性及噪声。多媒体
技术丰富了信息的表现形式，不过目前多媒体技术的研究基本上限 于信息的存储和传输方面，而对于媒体信息理解的研究并不充分。 与人工智能技术结合，开展媒体理解和推理研究将改变这种现状。 另一方面，多通道人机交互研究的兴起，将进一步提高计算机的信 息识别、理解能力，提高人机交互的效率和用户友好性，将人机交 互技术和用户界面设计引向更高境界。
机交互的原理。该领域研究包括如何通过视觉、听觉等接受和理解
来自周围环境的信息的感知过程，以及通过人脑进行记忆、思维、 推理、学习和解决问题等人的心理活动的认识过程。其中人脑的认 知模型——神经元网络及其模型，已经成为新一代计算机、人工智 能等领域中最热门的研究课题之一。认知心理学在人机界面设计方
面具有非常重要作用，是人机交互技术的重要理论基础。
级语言的发展过程。这个过程也可以看作早期的人机交互的一个发 展过程。
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动设备，也需要更方便、快捷、人性化的交互手段。
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1.3人机交互的研究内容
人机交互的研究内容十分广泛，涵盖了建模、设计、评估等理
论和方法以及在 Web、移动计算、虚拟现实等方面的应用研究与开
发，主要包括： 1. 人机交互界面表示模型与设计方法（Model and Methodology） 一个交互界面的好坏，直接影响到软件开发的成败。友好人 机交互界面的开发离不开好的交互模型与设计方法。因此，研究人 机交互界面的表示模型与设计方法，是人机交互的重要研究内容之 一。
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主要解决有关人类思维与信息处理的有关问题，包括设计理论 、标准化、增强软件的可用性的方法等，使软件（计算机）与人的 对话能够满足人的思维模式与数据处理的要求，实现软件的高可用
性。同认知心理学一样，人机工程学也是人机交互技术的重要理论
基础。
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1.2.3多媒体技术
是人机双向信息交换的支持软件和硬件。
交互设计（Interaction Design）指的是“设计支持人们日常 工作与生活的交互产品”，具体的讲就是关于创建新的用户体验的 问题，其目的是增强和扩充人们工作、通讯及交互的方式。
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5百度文库
1.2人机交互与其他学科的关系
人机交互技术与认知心理学、人机工程学、多媒体技术和虚拟 现实技术密切相关。其中，认知心理学与人机工程学是人机交互技 术的理论基础，而多媒体技术和虚拟现实技术与人机交互技术相互
14
目前，人们除了致力于研究开发友好的用户界面，还发明了大 量的三维交互设备，如立体眼镜、WorkBench、头盔式显示器、洞
穴式立体显示器（CAVE）、墙式大屏幕立体显示器、数据服装、
位置跟踪器、眼动跟踪器、触觉和力反馈装置、三维扫描设备、三 维鼠标、三维跟踪球、三维游戏杆、数据手套等。 虚拟现实中的交互是虚拟现实核心研究内容之一，但人机交互并 不是虚拟现实的全部，复杂场景的建模、绘制等技术，也是虚拟现 实非常重要的研究内容。虚拟现实为人机交互的研究提供了很好的 契机和媒介，但并不是唯一的媒介，手机、PDA、笔记本电脑等移
体系统则侧重于信息的表现，表现为在计算机的控制下产生、操纵
、表现、存储和传送—些独立的信息，这些信息至少是通过一种连 续或离散媒体进行编码的。
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1.2.4虚拟现实技术
虚拟现实（ Virtual Reality ，VR ）就是借助于计算机技术及硬
件设备，建立高度真实感的虚拟环境，使人们通过视觉、听觉、触
多通道和多媒体都蕴含了多种通信通道的使用，区别在于系统
内部信息所处的抽象层次的不同。多通道系统力求对语义的理解。
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它对用户的原始输入在较高的层次上进行解释、分析和综合， 提取语义内容，达到对用户的某种理解。然后，从较高的表现层次 上传达给用户最恰当的反馈，它侧重于信息的理解和解释。而多媒
第1章 绪论
主要介绍以下几个方面的内容：
l l l l 人机交互的概念 人机交互与其他相关学科的关系 人机交互的研究内容 人机交互的发展历史及趋势
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人机交互技术编写组
1.1 什么是人机交互
信息技术的高速发展对人类生产、生活带来了广泛而深刻的影 响。“上网冲浪”、“数码相机”、PDA、“优盘”、“彩屏手 机”、“蓝牙技术”等新产品、新概念层出不穷，不断冲击着人们 的视听。这些高科技成果为人们带来便捷、快乐的同时，也促进着
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6. Web设计（Web-Interaction）
重点研究Web界面的信息交互模型和结构，Web界面设计的基本
思想和原则，Web界面设计的工具和技术，以及Web界面设计的可用 性分析与评估方法等内容。 7. 移动界面设计（Mobile and Ubicomp） 移 动 计 算 （ Mobile Computing ） 、 普 适 计 算 （ Ubiquitous
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4. 认知与智能用户界面（Recognition and Intelligent User Interface） 智能用户界面（Intelligent User Interface ， IUI ）的最终目 标是使人机交互和人－人交互一样自然、方便。上下文感知、眼动
跟踪、手势识别、三维输入、语音识别、表情识别、手写识别、自
交叉和渗透，其关系如图1-1所示。
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多媒体技术
虚拟现实技术
人机交互技术
认知心理学
人机工程学
图1-1 人机交互与其他相关学科的关系
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1.2.1认知心理学
认知心理学（ Cognitive Psychology ）是 20世纪 50 年代中期在 西方兴起的一种心理学思潮，在20世纪70年代成为西方心理学的一 个主要研究方向。它研究人的高级心理过程，主要是认识过程，如 注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等，从心理学的观点研究人
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它涉及到计算机科学、心理学、认知科学和社会学以及人类学 等诸多学科，是信息技术的一个重要组成部分，并将继续对信息技 术的发展产生巨大的影响。
人机界面（Human-Machine Interface，HMI）作为计算机系统
的重要组成部分，主要是指人类与计算机系统之间的通信方式，它
觉、味觉、嗅觉等感官在其中看、听、触、闻起来像真实的，以产 生身临其境的感觉的一种技术。虚拟现实技术有别于其他计算机应 用技术的三个鲜明特征：真实感、沉浸感和交互性。其中，自然和 谐的交互方式是虚拟现实技术的一个重要研究内容，其目的是使人 能以声音、动作、表情等自然方式与虚拟世界中的对象进行交互。
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更直观的信息，从而简化了用户的操作，扩展了应用范围。
多媒体信息在人机交互中的巨大潜力主要在于它能提高人对信息 表现形式的选择和控制能力，同时也能提高信息表现形式与人的逻 辑和创造能力的结合程度，在串行、符号信息以及并行、联想信息 方面扩展人的信息处理能力。多媒体信息比单一媒体信息对人具有
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1.2.2人机工程学
人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关知识，研究人 、机器、环境相互间的合理关系，以保证人们安全、健康、舒适地 工作，从而提高整个系统工效的新兴边缘科学。在人机界面学处于 初创和奠基阶段的时候，人机工程学是最活跃、最主要的分支，曾
经对人机界面学的发展做出过很大的贡献。经典的人机工程学称为
Computing ）等对人机交互技术提出了更高的要求，面向移动应用
的界面设计问题已成为人机交互技术研究的一个重要应用领域。针 对移动设备的便携性、位置不固定性和计算能力有限性以及无线网 络的低带宽高延迟等诸多的限制，研究移动界面的设计方法，移动 界面可用性与评估原则，移动界面导航技术，以及移动界面的实现 技术和开发工具，是当前的人机交互技术的研究热点之一。
然语言理解等都是认知与智能用户界面需要解决的重要问题。
5. 虚拟环境（Virtual Environment）中的人机交互
“以人为本”的、自然和谐的人机交互理论和方法是虚拟现实的 主要研究内容之一。通过研究视觉、听觉、触觉等多通道信息融合 的理论和方法、协同交互技术以及三维交互技术等，建立具有高度 真实感的虚拟环境，使人产生“身临其境”的感觉。
硬件人机工程学，主要集中在对人体能力、人体限制及其他与设计 相关的人体特性信息的应用，以满足设计、分析、测试与评价、标 准 化 ， 以 及 系 统 控 制 的 要 求 。 软 件 人 机 工 程 学 （ Software Ergonomics）研究软件和软件界面，侧重于运用和扩充软件工程的
理论和原理，对软件人机界面进行分析、描述、设计和评估等。
人机交互技术的发展。作为信息技术的重要内容，人机交互技术比
计算机硬件和软件技术的发展要滞后许多，已成为人类运用信息技 术深入探索和认识客观世界的瓶颈。因此，人机交互技术已成为21 世纪信息领域亟需解决的重大课题，引起了世界许多国家的高度重 视。
人机交互技术编写组 2
在美国21世纪信息技术计划中，将软件、人机交互、网络、高性 能计算列为基础研究内容。美国国防关键技术计划也把人机交互列 为软件技术发展的重要内容之一。 我国“973”计划项目“虚拟现实的基础理论、算法及其实现” 中，将虚拟环境的真实感知与自然交互理论与方法作为信息技术中 需要解决的关键科学问题。
人机交互技术编写组 20
8. 群件（Groupware） 群件是指帮助群组协同工作的计算机支持的协作环境，主要涉 及个人或群组间的信息传递、群组中的信息共享、业务过程自动化 与协调，以及人和过程之间的交互活动等。目前与人机交互技术相 关的研究主要包括：群件系统的体系结构、计算机支持交流与共享 信息的方式、交流中的决策支持工具、应用程序共享以及同步实现 方法等内容。
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图1-2 人机交互三元素
人机交互技术编写组
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2.可用性分析与评估（Usability and Evaluation） 可用性是人机交互系统的重要内容，它关系到人机交互能否达到 用户期待的目标，以及实现这一目标的效率与便捷性。人机交互系
统的可用性分析与评估的研究主要涉及到支持可用性的设计原则和
可用性的评估方法等。 3. 多通道交互技术（Multi-Modal） 在多通道交互中，用户可以使用语音、手势、眼神、表情等自然 的交互方式与计算机系统进行通信。多通道交互主要研究多通道交 互界面的表示模型、多通道交互界面的评估方法以及多通道信息的 融合等。其中，多通道整合是多通道用户界面研究的重点和难点。
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人机交互（Human-Computer Interaction，HCI）是关于设计、 评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，且围绕这些方面主要 现象进行研究的科学（ACM SIGCHI，1992，第6页）。
狭义的讲，人机交互技术主要是研究人与计算机之间的信
息交换，它主要包括人到计算机和计算机到人的信息交换两部分。 对于前者，人们可以借助键盘、鼠标、操纵杆、数据服装、 眼动跟踪器、位置跟踪器、数据手套、压力笔等设备，用手、脚、 声音、姿势或身体的动作、眼睛甚至脑电波等向计算机传递信息； 对于后者，计算机通过打印机、绘图仪、显示器、头盔式显示器 （HMD）、音箱等输出或显示设备给人提供信息。
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1.4人机交互的发展历史及趋势
1.4.1发展历史 作为计算机系统的一个重要组成部分，人机交互一直伴随着计算 机的发展而发展。人机交互的发展过程，也是人适应计算机到计算
机不断地适应人的发展过程。它经历了几个阶段：
1． 语言命令交互阶段
计算机语言经历了由最初的机器语言，而后是汇编语言，直至高
更大的吸引力，有利于人对信息的主动探索而不是被动接受。
人机交互技术编写组 11
另外，由于多媒体所带来的信息冗余性，重复使用别的媒体或
并行使用多种媒体可消除人机通信过程中的多义性及噪声。多媒体
技术丰富了信息的表现形式，不过目前多媒体技术的研究基本上限 于信息的存储和传输方面，而对于媒体信息理解的研究并不充分。 与人工智能技术结合，开展媒体理解和推理研究将改变这种现状。 另一方面，多通道人机交互研究的兴起，将进一步提高计算机的信 息识别、理解能力，提高人机交互的效率和用户友好性，将人机交 互技术和用户界面设计引向更高境界。
机交互的原理。该领域研究包括如何通过视觉、听觉等接受和理解
来自周围环境的信息的感知过程，以及通过人脑进行记忆、思维、 推理、学习和解决问题等人的心理活动的认识过程。其中人脑的认 知模型——神经元网络及其模型，已经成为新一代计算机、人工智 能等领域中最热门的研究课题之一。认知心理学在人机界面设计方
面具有非常重要作用，是人机交互技术的重要理论基础。
级语言的发展过程。这个过程也可以看作早期的人机交互的一个发 展过程。
人机交互技术编写组 22
动设备，也需要更方便、快捷、人性化的交互手段。
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人机交互技术编写组
1.3人机交互的研究内容
人机交互的研究内容十分广泛，涵盖了建模、设计、评估等理
论和方法以及在 Web、移动计算、虚拟现实等方面的应用研究与开
发，主要包括： 1. 人机交互界面表示模型与设计方法（Model and Methodology） 一个交互界面的好坏，直接影响到软件开发的成败。友好人 机交互界面的开发离不开好的交互模型与设计方法。因此，研究人 机交互界面的表示模型与设计方法，是人机交互的重要研究内容之 一。
人机交互技术编写组 9
主要解决有关人类思维与信息处理的有关问题，包括设计理论 、标准化、增强软件的可用性的方法等，使软件（计算机）与人的 对话能够满足人的思维模式与数据处理的要求，实现软件的高可用
性。同认知心理学一样，人机工程学也是人机交互技术的重要理论
基础。
人机交互技术编写组
10
1.2.3多媒体技术
是人机双向信息交换的支持软件和硬件。
交互设计（Interaction Design）指的是“设计支持人们日常 工作与生活的交互产品”，具体的讲就是关于创建新的用户体验的 问题，其目的是增强和扩充人们工作、通讯及交互的方式。
人机交互技术编写组
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1.2人机交互与其他学科的关系
人机交互技术与认知心理学、人机工程学、多媒体技术和虚拟 现实技术密切相关。其中，认知心理学与人机工程学是人机交互技 术的理论基础，而多媒体技术和虚拟现实技术与人机交互技术相互
14
目前，人们除了致力于研究开发友好的用户界面，还发明了大 量的三维交互设备，如立体眼镜、WorkBench、头盔式显示器、洞
穴式立体显示器（CAVE）、墙式大屏幕立体显示器、数据服装、
位置跟踪器、眼动跟踪器、触觉和力反馈装置、三维扫描设备、三 维鼠标、三维跟踪球、三维游戏杆、数据手套等。 虚拟现实中的交互是虚拟现实核心研究内容之一，但人机交互并 不是虚拟现实的全部，复杂场景的建模、绘制等技术，也是虚拟现 实非常重要的研究内容。虚拟现实为人机交互的研究提供了很好的 契机和媒介，但并不是唯一的媒介，手机、PDA、笔记本电脑等移
体系统则侧重于信息的表现，表现为在计算机的控制下产生、操纵
、表现、存储和传送—些独立的信息，这些信息至少是通过一种连 续或离散媒体进行编码的。
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1.2.4虚拟现实技术
虚拟现实（ Virtual Reality ，VR ）就是借助于计算机技术及硬
件设备，建立高度真实感的虚拟环境，使人们通过视觉、听觉、触
多通道和多媒体都蕴含了多种通信通道的使用，区别在于系统
内部信息所处的抽象层次的不同。多通道系统力求对语义的理解。
人机交互技术编写组 12
它对用户的原始输入在较高的层次上进行解释、分析和综合， 提取语义内容，达到对用户的某种理解。然后，从较高的表现层次 上传达给用户最恰当的反馈，它侧重于信息的理解和解释。而多媒
第1章 绪论
主要介绍以下几个方面的内容：
l l l l 人机交互的概念 人机交互与其他相关学科的关系 人机交互的研究内容 人机交互的发展历史及趋势
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人机交互技术编写组
1.1 什么是人机交互
信息技术的高速发展对人类生产、生活带来了广泛而深刻的影 响。“上网冲浪”、“数码相机”、PDA、“优盘”、“彩屏手 机”、“蓝牙技术”等新产品、新概念层出不穷，不断冲击着人们 的视听。这些高科技成果为人们带来便捷、快乐的同时，也促进着
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6. Web设计（Web-Interaction）
重点研究Web界面的信息交互模型和结构，Web界面设计的基本
思想和原则，Web界面设计的工具和技术，以及Web界面设计的可用 性分析与评估方法等内容。 7. 移动界面设计（Mobile and Ubicomp） 移 动 计 算 （ Mobile Computing ） 、 普 适 计 算 （ Ubiquitous
人机交互技术编写组 18
4. 认知与智能用户界面（Recognition and Intelligent User Interface） 智能用户界面（Intelligent User Interface ， IUI ）的最终目 标是使人机交互和人－人交互一样自然、方便。上下文感知、眼动
跟踪、手势识别、三维输入、语音识别、表情识别、手写识别、自
交叉和渗透，其关系如图1-1所示。
人机交互技术编写组
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多媒体技术
虚拟现实技术
人机交互技术
认知心理学
人机工程学
图1-1 人机交互与其他相关学科的关系
人机交互技术编写组
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1.2.1认知心理学
认知心理学（ Cognitive Psychology ）是 20世纪 50 年代中期在 西方兴起的一种心理学思潮，在20世纪70年代成为西方心理学的一 个主要研究方向。它研究人的高级心理过程，主要是认识过程，如 注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等，从心理学的观点研究人
人机交互技术编写组 4
它涉及到计算机科学、心理学、认知科学和社会学以及人类学 等诸多学科，是信息技术的一个重要组成部分，并将继续对信息技 术的发展产生巨大的影响。
人机界面（Human-Machine Interface，HMI）作为计算机系统
的重要组成部分，主要是指人类与计算机系统之间的通信方式，它
觉、味觉、嗅觉等感官在其中看、听、触、闻起来像真实的，以产 生身临其境的感觉的一种技术。虚拟现实技术有别于其他计算机应 用技术的三个鲜明特征：真实感、沉浸感和交互性。其中，自然和 谐的交互方式是虚拟现实技术的一个重要研究内容，其目的是使人 能以声音、动作、表情等自然方式与虚拟世界中的对象进行交互。
人机交互技术编写组